数控机床伺服系统(009).ppt

第五章数控机床伺服系统 概述 数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 也称拖动系统 伺服系统决定了数控机床的性能 如数控机床的最大移动速度 跟随精度 定位精度等一系列重要指标均取决于伺服系统性能优劣 一 对伺服系统性能的要求1 对机床进给伺服系统的要求 1 进给速度范围要大 5 10000mm min 2 位移精度要高 高精度数控机床位移精度可达全程范围 5um 一般机床脉冲当量为 01 0 005 0001 mm p 3 跟随误差小 即伺服系统的速度响应快 4 伺服系统的稳定性要好 5 低速大转矩 6 可靠性高 2 对主轴伺服系统的要求主轴伺服系统一般为速度控制系统 除上面的一般要求外 还应具有下面的控制功能 1 主轴与进给驱动的同步控制 2 准停控制 3 角度分度控制 固定等分角位置控制 连续的任意角度控制 二 数控机床伺服系统的基本组成一般由驱动控制环节 执行元件 机床 或加上反馈检测单元和比较控制环节组成 驱动控制环节的作用 是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式 执行元件的作用 是将该信号转化为相应的机械位移 即 开环系统执行步进电机变频电机闭环系统元件交 直流伺服电机 三 数控机床伺服系统的分类 按其用途和功能划分 进给驱动 用于机床工作台或刀架坐标的控制系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动和所需的转距 要求 转距小 调节范围小 调节精度的高 动态相应速度 主轴驱动 用于控制机床主轴的旋转运动 提供驱动功率和切削力 要求 具用足够的功率 宽的恒功率调节范围及速度调节范围 3 辅助驱动 用于刀库 料库等辅助系统控制 按其控制原理和有无位置检测反馈环节划分 开环控制 闭环控制半闭环全闭环 按驱动执行元件的动作原理划分 电液伺服驱动系统 电气伺服驱动系统直流伺服驱动交流伺服驱动 步进式伺服系统 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统 执行元件 步进电机 执行过程 它受驱动控制线路的控制 将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向 大小和速度的机械转角位移 并通过齿轮和丝杠带动工作台移动 特点 无反馈检测环节 精度低 速度受步进电机性能的限制 优点 结构和控制简单 容易调整 应用 速度 精度要求不太高的场合 一 步进电机的种类 结构及工作原理 步进电机的种类按产生力距的原理分反应式激磁式按输出力矩大小分伺服式功率式按定 转子数分 单 双 三 多定子式 按各相绕组分布形式分径向分相式轴向分相式 步进电机的结构我国使用的步进电机多为反应式步进电机 下面介绍两种 单定子 径向分相 反应式伺服电机结构原理组成定子 铁心由电工钢片叠压而成圆周分布有六个齿 每齿又开有五个小齿 齿槽等宽 齿间夹角为九度 转子 均匀分布40个小齿 齿槽等宽 齿间夹角也为九度 定子上有绕组 相对的两齿上的线圈串联在一起 构成一相控制绕组 因此构成三相步进电机 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1 3齿距 即当A相小齿与转子小齿对齐时 B相的差1 3齿距 C相差2 3齿距 五定子 轴相分布 反应式伺服步进电机结构原理定子和转子在轴向分为五段 每一段都形成独立的一相定子铁心 定子绕组和转子 定子上的齿在圆周方向均匀分布 彼此之间错开1 5齿距 其转子齿彼此不错开 步进电机的工作原理其工作原理实际上是电磁铁作用的原理 即当某相定子激磁后 它吸引转子 使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐 下图是一种最简单的反应式步进电机 其工作原理为 图a 中 当A相绕组通直流电时 AA相产生磁场 吸引转子使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐 A断电 B通电 转子的齿与BB磁极上的齿对齐 B断电 C通电 可见 若控制线路不停的按A B C A 顺序送电脉冲 步进电机就转动起来 顺序相反则电机反转 此方式称为三相三拍 步进角为60 还有三相六拍 即A AB B BC C CA A 步距角为30 图b 中定子不变 转子四个磁极 则 当三相三拍时 步距角为30 当三相六拍时 步距角为15 由此可得结论 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次 它的转子便转过一个确定的角度 即步进电机的步距角 改变步进电机定子绕组通电顺序 转子的旋转方向随之改变 通电的变化频率越高 转子的转速越高 步进电机步距角 与定子绕组的相数m 转子的齿数z 通电的方式k有关 即 360 mzk 式中 当为m相m拍时 K 1当为m相2m拍时 K 2 步进电机的主要特性因步进电机的性能直接影响着伺服系统的性能 所以在选择电机时 要重视其特性 步进电机的性能指标很多 从控制角度来看 我们关注以下特性 步距角 反应步进电机定子绕组的通电状态每改变一次 转子转过的角度 所以它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数 一般0 5 3 之间 矩角特性 最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq矩角特性是步进电机的一个重要特性 它是指步进电机产生静态转矩Mj与失调角 的变化规律 空载时 步进电机某相绕组通电 在电机轴上加一负载转矩M 当出现平衡时 转子受电磁转矩Mj M 转子逆向转过的角度为 此时称Mj为静态转矩 为失调角 不断改变M值 对应就有Mj与 由此得到 Mj f 此曲线为转矩 失调角特性曲线 右图为三相步进电机按A B C 通电时 A B C各相的矩角特性曲线 相位相差1 3周期 峰值所对应的最大转矩为最大静态转矩Mjmax Mjmax Mjmax愈大 电机带负载的能力愈强 运行的快速性和稳定性愈好 曲线A与曲线B的交点所对应的力矩Mq是电机运行状态的最大启动转矩 只有当负载力矩Mf Mq时 电机才能正常启动运行 否则将造成失步 电机也不能正常启动 一般来说 随着电机相数的增加 矩角特性曲线变密 相邻曲线交点上移 Mq增大 改变通电拍节 也可提高Mq 启动频率Fq空载时 步进电机由静止突然启动 并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率 称为启动频率或突跳频率 启动时 通电频率不能大于突跳频率 否则不能正常启动 即 F Fq 连续运行的最高工作频率Fmax步进电机连续运行时 能保证不丢步运行的极限频率Fmax Fmax是决定通电绕组最高变化频率的参数 决定步进电机的最高转速 Fmax Nmax 加减速特性加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系 当要求步进电机启动到大于突跳频率工作时 变化速度必须逐渐上升 否则失步或超步 此外还有其它一些特性 如动态特性 它是描述步进电机各相定子绕组通电时的动态过程 决定步进电机的动态精度 二 步进式伺服系统的工作原理系统组成步进电机驱动控制线路步进电机进给脉冲信号 控制步进电机信号 通断电 电机转子转动 丝杠转 工作台移动 下面从步进伺服系统如何实现对机床工作台运动进行控制 来对其工作原理进行介绍 工作台位移量的控制控制系统发出N个进给脉冲 电机角位移 N 工作台位移量L L N t 360 工作台进给速度的控制进给脉冲频率f 定子绕组通电状态的变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度 工作台方向的控制改变进给脉冲的方向 定子绕组通电顺序改变 正反转 三 步进电机的驱动控制线路功能 将具有一定频率f 一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号改变频率 变化次数和通断电顺序 控制线路组成脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器功率放大器 脉冲混合电路插补进给信号齿补信号正向进给脉冲误差补偿信号整理 分类手动进给信号反向进给脉冲手动回原点信号 加减脉冲分配电路作用与功能 从正在进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的反方向补偿脉冲 进给脉冲反向补偿分配电路 加减速电路根据步进电机加减速特性 进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑 而且应有一定的时间常数 但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的 因此 要将跃变频率缓冲 使之符合步进电机加减速特性的脉冲频率 其电路原理图为 同步器 防止fa fb不同频率的脉冲同时进入可逆计数器 使可逆计数器在同时刻作加 减法 产生计数错误 可逆计数器 即可作加法计数又可作减法计数 但不能同时进行 数模转换 数字量转换为模拟量 振荡器 是将经数模转换器输出的电压信号转换为脉冲信号 脉冲的频率与电压值的大小成正比 环形分配器作用 是把来自加减速电路的一系列进给脉冲指令 转换成控制步进电机定子绕组通 断电的电平信号 电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应 右图为三相三拍 每来一个进给脉冲 就分成A B C三路信号 控制电机转动 三相六拍如下图所示 D D D Qa Qb Qc 三相六拍如下图所示 功率放大器组成 前置放大器和大功率驱动部分前置放大器 放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分 大功率放大部分 进一步将前置放大器送来的脉冲信号放大 得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流 1 简单限流电阻电路 如图5 13a 2 增加续流二极管电路 如图5 13b c 3 并联增流电容电路 如图5 13d 4 双电压工作电路 如图5 13e 四 提高步进系统精度的措施从控制方面采取的一些措施 细分线路将步进电机的一个步进再分得细一些 改变电机输入一个脉冲 电机走一步的状态 实现多脉冲走一步 齿距误差和反向间隙补偿 混合伺服系统对传动误差补偿 依靠检测装置 反馈误差信号 一 直流伺服电动机的结构和种类1 小惯量直流伺服电动机为尽量减小电机的转动惯量 小惯量直流伺服电动机转子设计成光滑无槽铁心的形式 电枢线圈用绝缘粘合剂直接粘于铁心表面 又因为转动惯量与转动物体半径的平方成正比 所以将转子的直径设计得较小 而长度相对很长 使电动机能够得到相同的输出转矩 2 大惯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机又称为大惯量宽调速直流伺服电动机 其结构与普通直流电动机比较相似 由于电动机转子的惯量较大 系统中负载部分的惯量影响已经不占主导地位 负载的变化及不稳定对系统影响较小 这种直流电动机用在主轴伺服系统中较多 一般情况下 直流电动机定子由励磁线圈或永磁材料形成磁场 由于新型永磁材料的磁场强度越来越高 成本越来越低 所以 现在数控机床上所用的直流伺服电动机 其定子大多数为永磁材料制成 3直流伺服电动机及其速度控制 二 直流电动机工作原理及特性 T KTia其中 T 直流电动机的输出转矩 KT 与直流电动机结构及磁场性质相关的转矩常数 ia 电枢线圈中通过的电流 Eb Kbn其中 Eb 电枢在定子磁场中转动时电枢线圈所产生的反电势 Kb 与结构及磁场性质相关的直流电动机电磁常数 n 直流电动机的工作转速 假设施加在电枢线圈上的电压为ua 它应当主要用以克服反电势 但是 由于电枢线圈本身必然有电阻 也要耗散一部分能量 故外加的电压还要在电枢线圈上有损耗 所以有 ua Eb iaRa其中 Ra 电枢线圈本身的电阻 将上述三式联立后得出以关系 直流电动机的机械特性和调速特性 三 晶闸管调速系统 晶闸管是晶体闸流管 Thyristor的中文译名 的简称 亦可称为可控硅 SiliconControlledRectifier的中文译名 英语简写为SCR 它是一种大功率的半导体器件 它具有体积小 重量轻 耐压高 容量大 使用维护简单 控制灵敏等优点 同时它的功率放大倍数很高 可以用微小的信号功率 几十到一 二百毫安的电流 二 三伏的电压 对大功率 电流为几百安 电压为数千伏 的电源进行控制 单相桥式晶闸管整形放大电路 晶闸管直流调速单元结构框图 四 晶体管脉宽调制 PWM 调速控制 脉宽调制示意图 1 直流电动机的PWM调速原理 2 电压脉宽调制器 三角波脉冲宽度调制器原理图 PWM脉宽调制波形图 3 开关功率放大器 H型桥式PWM功率放大器电路原理图 5 4交流伺服电动机及变频调速 一 交流伺服电动机的种类和工作原理交流伺服电动机分为交流永磁式伺服电动机和交流感应式伺服电动机 永磁式交流伺服电动机相当于交流同步电动机 常用于进给伺服系统 感应式相当于交流感应异步电动机 常用于主轴伺服系统 1 永磁式交流同步电动机 永磁交流电机工作原理 nr ns 60f p式中f 电源交流电的频率 Hz p 定子和转子的极对数 2 交流主轴电动机 式中 ns 同步转速 r min nr 转子转速 r min f 供电电源频率 Hz s 转差率 p 极对数 二 交流伺服电动机变频调速的主电路 两种变频方式 三 SPWM波调制原理 1 SPWM波 与正弦波等效的SPWM波形 2 一相SPWM波调制原理 双极性SPWM波调制原理 一相 单极性SPWM波调制波形图 3 三相SPWM波的调制4 SPWM变频器的功率放大 双极性SPWM通用型功率放大主回路 四 交流伺服系统组成 一个完整的交流伺服系统主要由变频电源和伺服电动机组成 5 5位置控制 一 相位伺服控制系统 闭环相位比较伺服系统框图 二 幅值伺服控制系统 闭环幅值比较伺服系统框图 三 脉冲比较伺服系统 半闭环脉冲比较位置伺服系统 四 CNC伺服系统和全数字伺服系统 1 CNC伺服控制系统CNC伺服控制系统的最突出特点是位置环 有时也包括速度环 是在计算机内的位置控制单元中闭合 其原理与数字脉冲式或幅值比较式工作原理相似 它利用计算机软件功能 将来自检测元件的反馈信号 与由插补软件产生的指令信号进行比较 求得偏差大小 为保证伺服系统时刻处于最佳状态而对位置增益进行调整 最后将偏差值经数字位置调节器调节 产生速度指令输出 这种